CN116305832A - 一种林火蔓延实时模拟方法、灭火决策方法与预警系统 - Google Patents

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CN116305832A CN202310125365.6A CN202310125365A CN116305832A CN 116305832 A CN116305832 A CN 116305832A CN 202310125365 A CN202310125365 A CN 202310125365A CN 116305832 A CN116305832 A CN 116305832A
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张微
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胡开添
周必群
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Abstract

本发明公开了一种林火蔓延实时模拟方法、灭火决策方法与预警系统。本发明提出了一种林火蔓延实时模拟方法，具体为：输入林火蔓延模拟区域的地形数据(坡向、坡度、可燃物类型分布)以及实时风向、风速，根绝地形数据建立栅格网络；选择起火点的地理位置，从起火点的位置计算出其在栅格网络中的坐标；由起火点开始在栅格网络中进行蔓延模拟，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进，获取栅格网络的起火时间；根据栅格网络的起火时间进行可视化展示。然后根据此蔓延方法分别提出了辅助于直接灭火与间接灭火决策的方法。最后基于前面所述方法提出了一个林火蔓延模拟及预警系统，为森林灭火提供辅助决策功能。

Description

一种林火蔓延实时模拟方法、灭火决策方法与预警系统
技术领域
本发明属于计算机模拟技术领域，具体涉及一种林火蔓延实时模拟方法、灭火决策方法与预警系统。
背景技术
森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害具有随机性以及突发性，不可控的森林火灾会给森林生态系统以及人民生命财产安全造成一定的危害和损失，甚至可能会破坏森林结构与森林环境。森林火灾的蔓延模拟可以帮助人们了解火势的蔓延趋势，进行合理的灭火救援与居民疏散行动，来减少森林火灾带给人们的损失。
现有的林火蔓延模型可以分为经验模型以及物理模型。经验模型是一种统计模型,只根据历史火灾数据分析规律，分析结果强依赖于历史数据的地形、植被分布等因素，难以应用到新的地形上，导致其鲁棒性不高。物理模型则是通过模拟林火的物理、化学过程，而该模型所涉及到的燃烧过程中复杂的物理化学过程，使得此模型的模拟与验证十分困难，模拟精度较低，且缺乏实时性。
目前常用的一种林火蔓延模拟的思路是元胞自动机模型，元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散,空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型。通过将空间的栅格网络抽象为一个个元胞，来模拟演化林火的蔓延过程。现有的基于元胞自动机的满足了实时性的要求，但是精度不够。且目前的林火决策方法基本都是对当前林火蔓延情况使用最短路径算法进行决策，未考虑未来林火蔓延的情况。
发明内容
针对于此，本申请提供了一种提升林火蔓延的模拟精度的方法，同时提出了根据未来林火蔓延的情况来辅助灭火，并基于这些方法构建一个林火蔓延模拟及预警系统。
本发明具体采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种林火蔓延实时模拟方法，其包括：
S1、获取林火蔓延模拟区域的坡向、坡度、可燃物类型三类分布数据，以及实时风向、实时风速和起火点坐标，将三类分布数据栅格化后建立林火蔓延模拟区域对应的栅格网络；
S2、在栅格网络中根据起火点坐标定位起火点栅格，从起火点栅格开始在栅格网络中逐步长进行林火蔓延模拟，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进，获取栅格网络中各栅格的起火时间；其中每个起火栅格向任一邻域栅格的蔓延速度由林火蔓延模型根据所在栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到；
S3、根据栅格网络中各栅格的起火时间进行可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。
作为上述第一方面的优选，所述逐步长进行林火蔓延模拟过程中，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进的方法如下：
S201、在进行第一个步长的林火蔓延模拟前，将起火点栅格的起火时间设置为指定的初始时刻，并将起火点栅格加入初始为空队列的优先队列中；
S202、从当前的优先队列中取出起火时间最早的一个栅格，将其从优先队列中删除并添加到结果集中，同时作为起火区域边界外延的扩展点；
S203、遍历扩展点的八邻域中不存在于结果集中的每个邻域栅格，针对每个当前邻域栅格，先由林火蔓延模型根据当前邻域栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延的蔓延速度，再根据扩展点到当前邻域栅格的空间距离计算到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延所需的时间，进而根据扩展点自身的起火时间得到当前邻域栅格的起火时间，若当前邻域栅格的起火时间大于模拟时段的结束时间，则不将当前邻域栅格加入优先队列，否则需判断当前邻域栅格是否已存在于优先队列中，若不存在则将扩展点作为当前邻域栅格的引燃栅格同时将当前邻域栅格加入优先队列并记录对应的起火时间，若存在则将优先队列中这个栅格的起火时间更新为当前步长的计算值和原始记录值之间的较早时间，同时更新其记录的引燃栅格。
S204、若所述优先队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S202和S203进行下一步长模拟，直至优先队列中不存在栅格时完成林火蔓延模拟，最终得到的结果集中记录了整个模拟时段内所有起火栅格以及对应的起火时间。
作为上述第一方面的优选，所述林火蔓延模型为改进的王正非模型，其中林火从扩展点所在的已燃栅格向邻域栅格的蔓延速度计算公式为：
Figure BDA0004082009770000031
其中R0为林火蔓延的初速度；Ks为由邻域栅格的可燃物类型决定的可燃物系数；θ1为实时风向，θ2为邻域栅格的坡向，
Figure BDA0004082009770000032
为邻域栅格的坡度，α为从已燃栅格指向邻域栅格的蔓延前进方向，v为实时风速；其中实时风向、坡向、蔓延前进方向的方向均以正北为0度方向，并按顺时针计算角度。
第二方面，本发明提供了一种灭火决策方法，其首先按照第一方面所述的林火蔓延实时模拟方法得到记录有栅格网络中各栅格起火时间的结果集，然后分直接灭火以及间接灭火两种方式择一进行灭火决策；
所述直接灭火方式用于确定在林火蔓延模拟区域中确定直接扑灭火线所需的最佳灭火点集合，其确定方法如A1～A4所示：
A1、将结果集中的所有栅格按照被引燃栅格指向引燃栅格这一关系组成一个有向图，为每一个栅格设置一个初始的代价值后，基于有向图计算每个栅格的入度，将所有入度为0的栅格加入初始为空的栅格队列中；
A2、从栅格队列中取出一个栅格并将其在栅格队列中删除，将当前取出栅格的代价值加到该栅格对应的引燃栅格上从而更新该引燃栅格的代价值，同时将该引燃栅格的入度减去1；若减去1之后该引燃栅格的入度为0，则将该引燃栅格加入栅格队列中；
A3、若所述栅格队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S42，直至栅格队列中不存在栅格时完成迭代，得到代价值更新后的结果集；
A4、对代价值更新后的结果集，按照代价值从大到小的顺序从中筛选出指定个数的满足灭火时间限制的最佳灭火点；所述灭火时间限制为灭火队员能够在该灭火点被引燃之前到达并提前完成灭火所需的隔离带设置；
所述间接灭火方式用于确定当前时刻在林火蔓延模拟区域中设置阻止林火蔓延所需的防火隔离带的最佳位置，其确定方法如B1～B4所示：
B1、获取当前时刻；
B2、根据当前最新的模拟结束时刻的火场模拟图确定林火蔓延的主方向；
B3、沿B2中确定的林火蔓延的主方向模拟设置预设长度的隔离带，并将隔离带从远到近逐步长靠近当前时刻的火场模拟图中的火线，并确定距离火线最近且完成隔离带构建时林火尚未蔓延至隔离带的最佳位置，在该最佳位置模拟构建一道隔离带并设置隔离带处的林火蔓延速度系数为0，然后重新从当前时刻开始进行林火蔓延模拟，获得当前时刻之后的新火场模拟图；
B4、基于B3中获得的新火场模拟图，判断设置当前已设的所有隔离带是否满足林火蔓延阻挡要求，若满足则输出当前已设的所有隔离带及其位置，若不满足则基于新火场模拟图重新执行B2和B3，直至满足林火蔓延阻挡要求后输出当前已设的所有隔离带及其位置。
作为上述第二方面的优选，所述A1中，结果集中每一个栅格初始的代价值按照该栅格所处位置空间的重要程度进行设置，所处位置空间不存在重要设施的栅格代价值默认设为1，对于所处位置空间存在重要设施的栅格则调高其代价值。
作为上述第二方面的优选，所述A4中，所述灭火时间限制为满足下式：
t_arrive≤node_igniteTime-Δt
式中：t_arrive表示灭火队员到达一个灭火点所需的时间，node_igniteTime表示灭火点被引燃的起火时间，Δt表示灭火队员到达灭火点后设置灭火所需隔离带的预留时间。
作为上述第二方面的优选，所述A4中，灭火队员到达一个灭火点所需的时间根据最短路径规划算法结合道路网络信息进行计算。
第三方面，本发明提供了一种林火蔓延模拟及预警系统，其包括资源管理模块、蔓延模拟模块、监测预警模块和可视化模块；
所述资源管理模块用于对林火蔓延模拟所需的输入参数、用户信息资源、模拟结果进行管理，并对每个用户提供相应的资源权限进行约束；
所述蔓延模拟模块用于根据资源管理模块所接收到的输入参数，按照前述模拟方法对指定林火蔓延模拟区域进行林火蔓延模拟，并负责向其他模块提供林火蔓延模拟结果；
所述监控评估模块，用于通过监控设备实时地检测火情，同时按照前述灭火决策方法输出灭火决策结果进而辅助灭火资源的调度，并根据林火蔓延模拟结果进行损失评估和火灾等级划分；
所述可视化模块，用于根据栅格网络中各栅格的起火时间进行动态可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。
作为上述第三方面的优选，所述蔓延模拟模块中，林火蔓延模拟区域和起火点通过所述可视化模块提供的GIS地图可视化界面进行选取。
作为上述第三方面的优选，还包括灭火资源调度决策模块，用于辅助制定灭火资源配比和灭火资源调度策略，所述资源配比是根据评估的火灾等级进行资源筹备，所述灭火资源调度策略是采用最短路径算法将所需资源调度以距离最短、到达时间最快的方式调度到灭火点。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：
1)本发明提供了一种改进后的林火蔓延算法，该算法将地形因素(高度、坡向、坡度)、植被分布因素、风向、风速考虑在内，进一步地提升了传统元胞自动机模型的精度；另外该算法采用最短路径算法、边界外延扩展的思想，从而快速地计算出各个着火点的最早起火时间，减少了现有方法大量的重复计算开销；同时基于起火时间序列结果，可以快速绘制林火蔓延的演进过程，实现可视化。
2)本发明基于林火蔓延模型提出了分别用于辅助直接灭火以及间接灭火决策的方法。对于直接灭火，首先根据林火蔓延得到的着火点序列，计算得出每个点的代价值，然后根据最短路径算法选出可以及时到达并灭火同时代价值较高的着火点。对于间接灭火，则是在火势蔓延快速的方向上不断靠近火场蔓延边缘从而搜索合适的防火隔离带。进一步的，用于直接灭火中的着火点的代价值计算通过拓扑排序完成，主要目的就是算出某一着火点所引燃的所有后续着火点的总损失值。每一个着火点的初始损失值会随着其植被类型、植被面积、是否有重要设施以及是否有居民居住等而变化。进一步地，用于间接灭火中的防火隔离带辅助确定方法，主要是找到可以及时完成防火隔离带同时又尽可能缩小火灾蔓延的面积的隔离带位置，以达到减少蔓延所带来的经济损失的目的。
3)本发明提供的林火蔓延及预警系统提供了GIS资源管理、林火蔓延模拟、实时检测火情、火灾评估预警、灭火辅助决策等功能，可以从多方面来帮助救援人员更好地进行灭火规划以及群众疏散等工作。
附图说明
图1为林火蔓延邻域方向示意图。
图2为风系数计算投影示意图。
图3为坡向系数计算投影示意图图。
图4为基于最短路径及边界外沿的林火蔓延流程图。
图5为基于林火蔓延模拟时间序列结果动态渲染图。
图6为林火蔓延回溯示意图。
图7为火势蔓延的引燃路线示意图。
图8为防火隔离带辅助决策示意图。
图9为林火蔓延模拟及预警平台功能模块图。
图10为林火蔓延模拟及预警平台系统架构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明中，首先提供了一种林火蔓延实时模拟方法，其步骤包括：
S1、获取林火蔓延模拟区域的坡向、坡度、可燃物类型三类分布数据，以及实时风向、实时风速和起火点坐标，将三类分布数据栅格化后建立林火蔓延模拟区域对应的栅格网络。
S2、在栅格网络中根据起火点坐标定位起火点栅格，从起火点栅格开始在栅格网络中逐步长进行林火蔓延模拟，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进，获取栅格网络中各栅格的起火时间；其中每个起火栅格向任一邻域栅格的蔓延速度由林火蔓延模型根据所在栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到。
其中逐步长进行林火蔓延模拟过程中，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进的方法如下：
S201、在进行第一个步长的林火蔓延模拟前，将起火点栅格的起火时间设置为指定的初始时刻，并将起火点栅格加入初始为空队列的优先队列中；
S202、从当前的优先队列中取出起火时间最早的一个栅格，将其从优先队列中删除并添加到结果集中，同时作为起火区域边界外延的扩展点；
S203、遍历扩展点的八邻域中不存在于结果集中的每个邻域栅格，针对每个当前邻域栅格，先由林火蔓延模型根据当前邻域栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延的蔓延速度，再根据扩展点到当前邻域栅格的空间距离计算到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延所需的时间，进而根据扩展点自身的起火时间得到当前邻域栅格的起火时间，若当前邻域栅格的起火时间大于模拟时段的结束时间，则不将当前邻域栅格加入优先队列，否则需判断当前邻域栅格是否已存在于优先队列中，若不存在则将扩展点作为当前邻域栅格的引燃栅格同时将当前邻域栅格加入优先队列并记录对应的起火时间，若存在则将优先队列中这个栅格的起火时间更新为当前步长的计算值和原始记录值之间的较早时间，同时更新其记录的引燃栅格。
S204、若所述优先队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S202和S203进行下一步长模拟，直至优先队列中不存在栅格时完成林火蔓延模拟，最终得到的结果集中记录了整个模拟时段内所有起火栅格以及对应的起火时间。
S3、根据栅格网络中各栅格的起火时间进行可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。
其中，本发明采用的林火蔓延模型为改进的王正非模型，其中林火从扩展点所在的已燃栅格向邻域栅格的蔓延速度计算公式为：
Figure BDA0004082009770000071
其中R0为林火蔓延的初速度；Ks为由邻域栅格的可燃物类型决定的可燃物系数；θ1为实时风向，θ2为邻域栅格的坡向，
Figure BDA0004082009770000072
为邻域栅格的坡度，α为从已燃栅格指向邻域栅格的蔓延前进方向，v为实时风速；其中实时风向、坡向、蔓延前进方向的方向均以正北为0度方向，并按顺时针计算角度。
需说明的是，本发明中以每个栅格作为模拟单位，栅格间的距离可由两者的中心点进行计算。而由于林火蔓延过程中，一个已经起火的栅格会引燃周边的栅格。为了便于表述，对于存在引燃和被引燃关系的两个栅格，分别称为引燃栅格和被引燃栅格，引燃栅格的起火时间早于被引燃栅格的起火时间。
另外，本发明还提供了一种灭火决策方法，其首先按照前述的林火蔓延实时模拟方法得到记录有栅格网络中各栅格起火时间的结果集，然后分直接灭火以及间接灭火两种方式择一进行灭火决策；
A、所述直接灭火方式用于确定在林火蔓延模拟区域中确定直接扑灭火线所需的最佳灭火点集合，其确定方法如A1～A4所示：
A1、将结果集中的所有栅格按照被引燃栅格指向引燃栅格这一关系组成一个有向图，为每一个栅格设置一个初始的代价值后，基于有向图计算每个栅格的入度，将所有入度为0的栅格加入初始为空的栅格队列中。
上述结果集中每一个栅格初始的代价值按照该栅格所处位置空间的重要程度进行设置，所处位置空间不存在重要设施的栅格代价值默认设为1，对于所处位置空间存在重要设施的栅格则调高其代价值。
A2、从栅格队列中取出一个栅格并将其在栅格队列中删除，将当前取出栅格的代价值加到该栅格对应的引燃栅格上从而更新该引燃栅格的代价值，同时将该引燃栅格的入度减去1；若减去1之后该引燃栅格的入度为0，则将该引燃栅格加入栅格队列中。
A3、若所述栅格队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S42，直至栅格队列中不存在栅格时完成迭代，得到代价值更新后的结果集。
A4、对代价值更新后的结果集，按照代价值从大到小的顺序从中筛选出指定个数的满足灭火时间限制的最佳灭火点；所述灭火时间限制为灭火队员能够在该灭火点被引燃之前到达并提前完成灭火所需的隔离带设置。
上述灭火时间限制为满足下式：
t_arrive≤node_igniteTime-Δt
式中：t_arrive表示灭火队员到达一个灭火点所需的时间，node_igniteTime表示灭火点被引燃的起火时间，Δt表示灭火队员到达灭火点后设置灭火所需隔离带的预留时间。且上述灭火队员到达一个灭火点所需的时间可根据最短路径规划算法结合道路网络信息进行计算。
B、所述间接灭火方式用于确定当前时刻在林火蔓延模拟区域中设置阻止林火蔓延所需的防火隔离带的最佳位置，其确定方法如B1～B4所示。
B1、获取当前时刻；
B2、根据当前最新的模拟结束时刻的火场模拟图确定林火蔓延的主方向；
B3、沿B2中确定的林火蔓延的主方向模拟设置预设长度的隔离带，并将隔离带从远到近逐步长靠近当前时刻的火场模拟图中的火线，并确定距离火线最近且完成隔离带构建时林火尚未蔓延至隔离带的最佳位置，在该最佳位置模拟构建一道隔离带并设置隔离带处的林火蔓延速度系数为0，然后重新从当前时刻开始进行林火蔓延模拟，获得当前时刻之后的新火场模拟图；
B4、基于B3中获得的新火场模拟图，判断设置当前已设的所有隔离带是否满足林火蔓延阻挡要求，若满足则输出当前已设的所有隔离带及其位置，若不满足则基于新火场模拟图重新执行B2和B3，直至满足林火蔓延阻挡要求后输出当前已设的所有隔离带及其位置。
本发明中还提供了一种林火蔓延模拟及预警系统，其包括资源管理模块、蔓延模拟模块、监测预警模块和可视化模块；
所述资源管理模块用于对林火蔓延模拟所需的输入参数、用户信息资源、模拟结果进行管理，并对每个用户提供相应的资源权限进行约束；
所述蔓延模拟模块用于根据资源管理模块所接收到的输入参数，按照前述模拟方法对指定林火蔓延模拟区域进行林火蔓延模拟，并负责向其他模块提供林火蔓延模拟结果；
所述监控评估模块，用于通过监控设备实时地检测火情，同时按照前述灭火决策方法输出灭火决策结果进而辅助灭火资源的调度，并根据林火蔓延模拟结果进行损失评估和火灾等级划分；
所述可视化模块，用于根据栅格网络中各栅格的起火时间进行动态可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。上述蔓延模拟模块中，林火蔓延模拟区域和起火点通过所述可视化模块提供的GIS地图可视化界面进行选取。
上述林火蔓延模拟及预警系统还可以包括灭火资源调度决策模块，用于辅助制定灭火资源配比和灭火资源调度策略，所述资源配比是根据评估的火灾等级进行资源筹备，所述灭火资源调度策略是采用最短路径算法将所需资源调度以距离最短、到达时间最快的方式调度到灭火点。
下面将通过一个较佳实施例，进一步地详细描述本发明上述林火蔓延实时模拟方法的具体实施示例。
实施例
一、林火蔓延实时模拟
本实施例首先优化了林火蔓延模型算法，具体的林火蔓延模拟全过程从输入到模拟结果输出包括如下步骤：
(S1)获取输入数据，初始化元胞栅格网络。
所需的基本输入数据及其格式如下表所示：
Figure BDA0004082009770000101
其中与地形有关的分布数据都采用遥感图像的格式作为输入，遥感图像每个像素的值即作为对应栅格元胞的相应属性值。由此，栅格数据的边界大小也与图像大小相一致，每个栅格包括了一系列数据。在此定义S为栅格数据，Si,j为对应像素的栅格，则可以将其表示为一个向量：
Si,j＝{sl,sld,h,t,it}
其中，sl是坡度，sld是坡向，h为高度，t是可燃物类型，it记录蔓延模拟过程中此栅格被点燃的起火时间。上述栅格中保存的向量中，坡度、坡向、可燃物类型均用于后续进行蔓延速度的计算，并最终确定起火时间it。而高度信息可用于了解模拟区域的地形情况，辅助灭火决策。
接下来介绍本实施例中林火蔓延方向以及蔓延速度的计算方法。
首先是蔓延方向的确定以及表示方法，传统的林火蔓延一般均采用八邻域的方法，如图1所示，八个方向分别表示从中心点向北、东北、东、东南、南、西南、西、西北蔓延。蔓延的方向以北向的角度为0，顺时针旋转计，则八个方向的弧度分别为
Figure BDA0004082009770000111
本实施例中蔓延速度计算使用毛贤敏等人对王正非林火蔓延模型的改进模型来进行计算，改进模型综合考虑了地形坡度、风向对蔓延速度的影响。其将速度模型改进为上坡、下坡、左平坡、右平坡、风方向五种。在实际情况中，坡向与风向不会完全平行于图1中所示的八个方向，也就是会与图1中的八个蔓延方向均有一定的夹角，因此计算其坡度影响因子、风影响因子时难以采用改进模型中的五个方向公式直接计算。在本实施例中，通过采用坡向、风向在蔓延方向上进行投影的方式计算，这样可以统一王正非改进模型中的五个方向上的蔓延速度公式。下面给出改进公式的原理以及计算方法。
在王正非模型中，林火从已燃元胞向邻域元胞的蔓延速度计算公式为：
Figure BDA0004082009770000112
其中R0是林火蔓延的初速度(m/s)
R0＝aT+bW+c(100-RH)-d
W＝int(v/0.836)(2/3)
T为温度(℃)；W为风级；RH为空气湿度(％)；v为风速(m/s)
Ks为可燃物系数，可以根据查表获取：
可燃物类型 Ks
其他(道路，等不可燃物) 0
针叶林 0.4
针阔混交林 0.7
阔叶林 1.0
草 1.6
Kw为风系数，受到风向与蔓延方向之间夹角关系的影响，顺风方向蔓延速度会更快，逆风则更慢。风向以及风速的造成的影响与风向量在蔓延方向上投影的有关。风方向投影如图2所示，通过将风方向在蔓延反向上进行投影可以得到风系数的计算公式为：
Figure BDA0004082009770000121
当风方向与蔓延方向夹角为钝角时，风力会对蔓延方向上的速度起到阻滞作用；为钝角时，起到增强的影响。
同理，坡向投影如图3所示。坡度系数的计算公式为：
Figure BDA0004082009770000122
图3中蔓延方向1是右平坡，在计算坡向投影系数时因为夹角为直角，
Figure BDA0004082009770000123
而蔓延方向2与坡向夹角为锐角，得出/>
Figure BDA0004082009770000124
这是因为坡向向南表明向南蔓延是下坡，此时坡度会对蔓延速度起减缓作用。
最终本实施例中改进得到的蔓延速度计算公式为：
Figure BDA0004082009770000125
其中R0为林火蔓延的初速度；Ks为由邻域栅格的可燃物类型决定的可燃物系数；θ1为实时风向，θ2为邻域栅格的坡向，
Figure BDA0004082009770000126
为邻域栅格的坡度，α为从已燃栅格指向邻域栅格的蔓延前进方向，v为实时风速；其中实时风向、坡向、蔓延前进方向的方向均以正北为0度方向，并按顺时针计算角度。
(S2)林火蔓延模拟过程
在确定了输入数据以及蔓延方向的计算方法后，即可进行林火蔓延模拟的过程。本实施例中基于最短路径、边界外延扩展的林火蔓延模拟流程如下：
(1)将其起火点随对应的栅格Sstarti,startj的起火时间it设置为0，将Sstarti,startj加入初始为空队列的优先队列中，且优先队列中的栅格点始终按照it从小到大排序；
(2)从优先队列中取出队首栅格，也就是优先队列中it最小的栅格，将其添加到结果集当中并从优先队列中删除，同时作为起火区域边界外延时的扩展点expand；
(3)对于扩展点的邻域中不存在于结果集中的每个邻域栅格node，先由林火蔓延模型根据当前邻域栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到林火从扩展点向当前邻域栅格node蔓延的速度以及扩展点到node的空间距离，由此得到林火由扩展点蔓延到node所需的时间，进一步扩展点自身的起火时间it计算得到node的起火时间it'，然后进行如下判断：
i.如果it'大于最大限制时间T即模拟时段的结束时间，则放弃将node加入优先队列，否则判断优先队列中是否已存在node，并根据判断结果执行ii或iii；
ii.如果优先队列中已存在node且it'＜itnode，则更新队列中对应山个点的起火时间itnode为it'，同时更新node的引燃栅格为当前的扩展点；
iii.如果不存在，将node加入到优先队列中，并更新栅格点的起火时间itnode＝it'，同时记录node的引燃栅格。
(4)若所述优先队列中依然存在栅格，则重新跳转至步骤(2)进行下一步长模拟，直至优先队列中不存在栅格时完成林火蔓延模拟，最终得到的结果集中记录了整个模拟时段内所有起火栅格以及对应的起火时间和引燃栅格。
上述林火蔓延算法的流程图如图4所示。
(S3)基于结果集时间序列展示蔓延动态
在上述步骤中林火蔓延动态模拟过程产生的结果集本身即是一个包含了所有已经燃烧的栅格以及其起火时间序列，读取此序列后通过设置展示动态模拟的时间间隔，显示出不同时间段以内的栅格，即可还原出蔓延动态。如图5所示，为根据林火蔓延模拟结果集展示的动态林火蔓延过程，该图展示了从t＝10000s到t＝40000s的林火蔓延过程。
二、基于林火蔓延模拟结果的辅助灭火决策
灭火策略一般分为直接灭火以及间接灭火两种方式。直接灭火指的是根据火场情况，采用一定的组合直接对火线进行扑灭，通常采用水或风直接灭火，这种适用于火灾强度不高的情况。间接灭火则主要应对高强度火灾，目前较为常用的是建立防火隔离带方法。在这里分别对直接灭火和间接灭火提出了基于林火蔓延模拟的趋势来辅助确定灭火点以及防火隔离带的方法。
首先是介绍一种利用拓扑排序结合林火蔓延模型确定较优灭火点来辅助直接灭火的方法，主要目标是优先选择着火后可能会造成更大损失的灭火点。参阅图6(图6a为蔓延方向，图6b为回溯方向)，在林火蔓延模拟的结果集中通过保存每个着火点被点燃的上一个栅格的坐标信息，然后可以根据此信息回溯，回溯方向与蔓延方向相反。
通过输出多个点的回溯路径，参考图7。可以分析得出火势蔓延的引燃路线：首先由起火点O蔓延至分支点S，然后在S点分出来三条路线OA、OB、OC。在这里有一个假设就是：在火蔓延至S之前将火灭掉是比较好的，否则林火燃烧至S点以后可能会分为三个方向上(SA、SB、SC)快速蔓延，将会加大灭火难度。为每一个栅格点设置一个代价值，一般地，代价可以设置为1，对于具有重要设施的特殊地理点为可以调高其代价值，且设施越重要其代价值可设置越高。沿着回溯路径将栅格的代价值加到将其引燃的邻域栅格上去。以图7为例，只考虑图中五个点的代价值P，则S点、O点的代价值更新计算如下：
Ps_new＝Pa+Pb+Pc+Ps
Po_new＝Po+Ps_new＝Po+Ps+Pa+Pb+Pc
代价值的计算过程可以通过拓扑排序以O(n)的复杂度根据结果集计算出每个节点的代价值来完成：
(1)将结果集中由被引燃点指向引燃点这一关系组成一个有向图，基于此图计算每个栅格的入度；
(2)设置栅格点队列Q＝[所有入度为0的栅格点]；
(3)从Q中取出一个栅格点node并从Q中删除该栅格点node，然后针对取出的栅格点node执行以下操作：
a)将node的代价值加到将node引燃的引燃栅格node_last上来更新node_last的代价值。同时将node_last的入度减去1。
b)对于执行完a)步骤的node_last，如果node_last的入度为0，则将node_last添加到Q中去。
(4)如果Q中依然存在栅格，则不断迭代重复上述步骤(3)，直至Q为空时完成迭代，得到代价值更新后的结果集。
对于单一起火点O来说，其代价值即为所有点原始代价值的和，也是最大的代价值，因此如果在起火点O引燃之前将其熄灭，可以将燃烧造成的损失最小化，但这是不可能的，O点的起火时间为0，对于意外林火救援人员不可能在此之前就赶到现场。
因此较优灭火点的选择应当在起火时间晚于当前时刻now的栅格中选取，即在it＞nowTime的栅格中选择，因此待选择的候选最佳点集合为：
Candidate＝{s∈S|s_it＞＝now}
式中：S表示代价值更新后的结果集。
从上述Candidate中选出较优灭火点采用贪心算法，其原则为按照代价值从大到小的顺序从中筛选出指定个数的满足灭火时间限制的最佳灭火点，其中灭火时间限制为灭火队员能够在该灭火点被引燃之前到达并提前完成灭火所需的隔离带设置。具体的贪心算法如下：
(1)设置一个空集，即Result＝{}
(2)选出中代价最大的栅格点node，采用最短路径算法根据道路网络信息计算灭火队员到达该点的最短时间t_arrive
(3)如果t_arrive≤node_igniteTime-Δt(Δt为一个预留时间，用于在node周围进行隔离带的设置防止继续蔓延，node_igniteTime为灭火点node被引燃的起火时间)，则将node添加到Result中，并将包含在Candidate被node引燃的点删去；
(4)如果Candidate为空或者size(result)＞threshold，结束该算法的循环，输出当前已设的所有隔离带及其位置，否则重新跳转至本流程的步骤(2)。
如图8所示，间接灭火主要是通过建立防火隔离带。通过林火蔓延模拟的结果可以帮助检查在某位置设置隔离带是否可行。主要思路是找到隔离带位置，确保防火隔离带可以在林火蔓延到隔离带之前完成，其流程大致如下：
(1)获取当前时刻now；
(2)根据模拟结束时刻T的最新火场模拟图确定林火蔓延的主方向，再沿着蔓延主方向的垂直方向设置隔离带；
(3)不断将隔离带的位置从远至近靠近当前时刻now的林火蔓延模拟图的火线，然后执行以下流程：
a)计算隔离带的构建完成时间为t，获取模拟时刻t的林火蔓延模拟情况，判断时刻t时林火是否已经蔓延至隔离带；
b)如果已经蔓延过隔离带，停止继续靠近，将上一次模拟的隔离带位置作为可行的隔离带。
(4)将可行隔离带处的林火蔓延速度系数设置为0，重新通过林火蔓延模拟生成T>＝now这一时间段的火场模拟图。
(5)根据新的火场模拟图判断已有隔离带是否足以满足林火蔓延阻挡要求即这些隔离带设置后林火是否会继续蔓延，如果不满足则要设置新的隔离带，因此重新跳至本流程的步骤(2)，如果满足则无需设置新的隔离带，输出当前已设的所有隔离带及其位置即可。
需注意的是，林火蔓延的主方向需要根据林火蔓延图进行确定，例如可以是从起始点开始蔓延距离最长的方向，当然也可以是过火面积最大的方向。另外，上述步骤(4)中当需要重新进行林火蔓延模拟时，可重复前述第一部分的林火蔓延实时模拟流程。
本实施例中通过间接灭火决策拟建立的3防火隔离带如图8所示。
三、林火蔓延模拟及预警系统
下面介绍一种基于前面两部分内容的林火蔓延模拟及预警系统的结构与设计。如图9所示，为此系统的功能模块图。
(1)资源管理模块
如图9所示，资源管理模块包括GIS资源管理、模型管理、模拟结果管理、用户信息资源管理几个部分。
GIS资源管理，负责对林火蔓延模拟所需输入的GIS地理信息数据进行增、删、查、改等操作。该资源包括各种地形数据(高程、植被分布、道路网络、重要设施分布、居民点分布等)，支持用户按照不同的区域范围进行查询。也支持通过图层编辑等方式来对GIS地理信息进行维护更新等操作。
模型管理，用于存储林火蔓延模型，并存储模拟结果。
用户信息资源管理，支持用户创建、密码管理、信息管理等，每个用户可以上传自己的GIS数据，并对数据具有一定的权限信息管理。
模拟结果管理则指的是对林火蔓延结果、路径规划结果，以及各种根据蔓延模拟、检测预警、可视化这些计算模块计算得出的结果文件进行保存与管理，提供查看、删除、新增等操作。
(2)林火蔓延模拟模块
林火蔓延模块是系统的主要模块，林火蔓延模块包括参数输入、蔓延模拟、最优灭火路径几个功能。
参数设置，主要是通过可视化模块进行相应参数的设置。蔓延区域的选择，首先依托于可视化模块显示出GIS地理图层，然后用户可以自由缩放地图并选择要在地图上选择进行林火蔓延模拟的区域，参数输入模块会从资源管理模块中读取所需地形范围内的所需信息，此外还需输入实时风向、选择起火点坐标、设置最大模拟时间等。
蔓延模拟，是根据所输入的参数，建立对应的林火蔓延模型，采用本发明所诉的模拟方法进行蔓延模拟，得到对应的结果集，将结果集保存搭配资源管理模块并根据结果集对蔓延动态进行可视化展示。上述蔓延模拟按照前述第一部分的模拟方法实现。
(3)林火蔓延监控评估模块
此模块是根据林火蔓延模拟的结果进行相应火险评估用以辅助决策的模块。
第一个功能是监控预警，通过设置相应的站点来实时检测火情的发生。检测到火情发生，自动调度对应区域的地理信息进行林火蔓延模拟，对有林火蔓延风险地区的居民进行疏散撤离。
第二个功能火灾损失评估则是对林火蔓延结果的过火区域面积、过火区域植被类型及面积、过火区域重要设施、过火区域居民位置等因素综合评估，对于评估结果进行火势等级规模的划分，并根据此等级来进行相应的预警以及灭火资源的调度与分配。
第三个功能是最佳灭火路径确定，可根据蔓延模拟的结果，按照前述第二部分的灭火决策方法计算出灭火决策结果(最佳灭火点以及防火隔离带)，并确定到达这些灭火决策结果中关键位置的最短路径，可用于辅助灭火资源调度的决策。
第四个功能是灭火资源调度决策，包括灭火资源配比、灭火资源调度策略等，资源配比主要是根据火灾评估等级进行相应的筹备，资源调度策略是采用最短路径算法将所需资源调度以距离最短、到达时间最快的方式调度到灭火点。
(4)可视化模块
可视化模块包括GIS资源可视化、蔓延动态可视化、查询结果可视化。GIS资源的可视化主要用于将GIS坡度、地形、植被分布等数据通过可视化地理图层的方式呈现出来，可用于在图层上选择林火蔓延的区域、设置起火点等，也用于救援人员进行更加合理的线路规划。蔓延动态的可视化用于展示随着时间推进，林火的行进路线，可用于当前判断火头、火尾、火翼的位置。查询结果可视化则是查询资源管理中的各种数据，比如GIS资源、用户信息资源、历史模拟结果资源，并进行可视化展示。
图10为平台的架构图，下面结合图10来说明两种重要的系统流程。
(1)林火蔓延模拟的系统流程
林火蔓延模拟系统流程如图10所示，涉及到资源管理模块、可视化模块、林火蔓延模块，首先选择对应的GIS资源，然后可视化模块会显示出对应的地形图，接下来用户在地图上选出要进行林火蔓延的区域，并在地图上选取设置起火点，同时填入其他的一些必要参数(风向、风速等)。区域范围信息作为参数同其他参数信息一同传入传给林火蔓延模拟模块，林火蔓延模拟模块会读取对应范围内的地形、植被等参数数据，并进行林火蔓延模拟。模拟结束后，将结果传递给可视化模块进行动态展示，同时将保存结果通过资源管理模块以json文件的格式保存下来，作为一条运行日志以便以后查看。林火蔓延的着火点结果集格式为：
Figure BDA0004082009770000181
Figure BDA0004082009770000191
(2)监控评估预警的系统流程
监控评估的系统流程如图10所示，首先监控评估模块会不断的监视相应的区域，一段发现某地发生火情以后，会自动通过资源管理模块读取相应位置的GIS资源信息，然后进行林火蔓延模拟。模拟结束后不需要将结果进行可视化，只需作为一条日志记录保存结果即可，之后可以通过资源管理模块查询此结果来查看林火蔓延的预计动态。除此之外，系统会自行根据林火蔓延模拟结果的过火区域进行火灾损失评估，按照损失以及火灾面积进行相应的火灾等级划分，向所在区域内的居民进行预警及撤离等。并根据火灾等级大小生成对应的灭火调度策略等，比如直接灭火的建议灭火点或者间接灭火对应的隔离带方案。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，包括：
S1、获取林火蔓延模拟区域的坡向、坡度、可燃物类型三类分布数据，以及实时风向、实时风速和起火点坐标，将三类分布数据栅格化后建立林火蔓延模拟区域对应的栅格网络；
S2、在栅格网络中根据起火点坐标定位起火点栅格，从起火点栅格开始在栅格网络中逐步长进行林火蔓延模拟，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进，获取栅格网络中各栅格的起火时间；其中每个起火栅格向任一邻域栅格的蔓延速度由林火蔓延模型根据所在栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到；
S3、根据栅格网络中各栅格的起火时间进行可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。
2.如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，所述逐步长进行林火蔓延模拟过程中，基于最短路径算法以及边界外延扩展方法来模拟火场范围的推进的方法如下：
S201、在进行第一个步长的林火蔓延模拟前，将起火点栅格的起火时间设置为指定的初始时刻，并将起火点栅格加入初始为空队列的优先队列中；
S202、从当前的优先队列中取出起火时间最早的一个栅格，将其从优先队列中删除并添加到结果集中，同时作为起火区域边界外延的扩展点；
S203、遍历扩展点的八邻域中不存在于结果集中的每个邻域栅格，针对每个当前邻域栅格，先由林火蔓延模型根据当前邻域栅格对应的坡向、坡度、可燃物类型、实时风向和实时风速计算得到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延的蔓延速度，再根据扩展点到当前邻域栅格的空间距离计算到林火从扩展点向当前邻域栅格蔓延所需的时间，进而根据扩展点自身的起火时间得到当前邻域栅格的起火时间，若当前邻域栅格的起火时间大于模拟时段的结束时间，则不将当前邻域栅格加入优先队列，否则需判断当前邻域栅格是否已存在于优先队列中，若不存在则将扩展点作为当前邻域栅格的引燃栅格同时将当前邻域栅格加入优先队列并记录对应的起火时间，若存在则将优先队列中这个栅格的起火时间更新为当前步长的计算值和原始记录值之间的较早时间，同时更新其记录的引燃栅格。
S204、若所述优先队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S202和S203进行下一步长模拟，直至优先队列中不存在栅格时完成林火蔓延模拟，最终得到的结果集中记录了整个模拟时段内所有起火栅格以及对应的起火时间。
3.如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，所述林火蔓延模型为改进的王正非模型，其中林火从扩展点所在的已燃栅格向邻域栅格的蔓延速度计算公式为：
Figure FDA0004082009760000021
其中R0为林火蔓延的初速度；Ks为由邻域栅格的可燃物类型决定的可燃物系数；θ1为实时风向，θ2为邻域栅格的坡向，
Figure FDA0004082009760000022
为邻域栅格的坡度，α为从已燃栅格指向邻域栅格的蔓延前进方向，v为实时风速；其中实时风向、坡向、蔓延前进方向的方向均以正北为0度方向，并按顺时针计算角度。
4.一种灭火决策方法，其特征在于，首先按照如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法得到记录有栅格网络中各栅格起火时间的结果集，然后分直接灭火以及间接灭火两种方式择一进行灭火决策；
所述直接灭火方式用于确定在林火蔓延模拟区域中确定直接扑灭火线所需的最佳灭火点集合，其确定方法如A1～A4所示：
A1、将结果集中的所有栅格按照被引燃栅格指向引燃栅格这一关系组成一个有向图，为每一个栅格设置一个初始的代价值后，基于有向图计算每个栅格的入度，将所有入度为0的栅格加入初始为空的栅格队列中；
A2、从栅格队列中取出一个栅格并将其在栅格队列中删除，将当前取出栅格的代价值加到该栅格对应的引燃栅格上从而更新该引燃栅格的代价值，同时将该引燃栅格的入度减去1；若减去1之后该引燃栅格的入度为0，则将该引燃栅格加入栅格队列中；
A3、若所述栅格队列中依然存在栅格，则不断迭代重复S42，直至栅格队列中不存在栅格时完成迭代，得到代价值更新后的结果集；
A4、对代价值更新后的结果集，按照代价值从大到小的顺序从中筛选出指定个数的满足灭火时间限制的最佳灭火点；所述灭火时间限制为灭火队员能够在该灭火点被引燃之前到达并提前完成灭火所需的隔离带设置；
所述间接灭火方式用于确定当前时刻在林火蔓延模拟区域中设置阻止林火蔓延所需的防火隔离带的最佳位置，其确定方法如B1～B4所示：
B1、获取当前时刻；
B2、根据当前最新的模拟结束时刻的火场模拟图确定林火蔓延的主方向；
B3、沿B2中确定的林火蔓延的主方向模拟设置预设长度的隔离带，并将隔离带从远到近逐步长靠近当前时刻的火场模拟图中的火线，并确定距离火线最近且完成隔离带构建时林火尚未蔓延至隔离带的最佳位置，在该最佳位置模拟构建一道隔离带并设置隔离带处的林火蔓延速度系数为0，然后重新从当前时刻开始进行林火蔓延模拟，获得当前时刻之后的新火场模拟图；
B4、基于B3中获得的新火场模拟图，判断设置当前已设的所有隔离带是否满足林火蔓延阻挡要求，若满足则输出当前已设的所有隔离带及其位置，若不满足则基于新火场模拟图重新执行B2和B3，直至满足林火蔓延阻挡要求后输出当前已设的所有隔离带及其位置。
5.如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，所述A1中，结果集中每一个栅格初始的代价值按照该栅格所处位置空间的重要程度进行设置，所处位置空间不存在重要设施的栅格代价值默认设为1，对于所处位置空间存在重要设施的栅格则调高其代价值。
6.如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，所述A4中，所述灭火时间限制为满足下式：
t_arrive≤node_igniteTime-Δt
式中：t_arrive表示灭火队员到达一个灭火点所需的时间，node_igniteTime表示灭火点被引燃的起火时间，Δt表示灭火队员到达灭火点后设置灭火所需隔离带的预留时间。
7.如权利要求1所述的林火蔓延实时模拟方法，其特征在于，所述A4中，灭火队员到达一个灭火点所需的时间根据最短路径规划算法结合道路网络信息进行计算。
8.一种林火蔓延模拟及预警系统，其特征在于，包括资源管理模块、蔓延模拟模块、监测预警模块和可视化模块；
所述资源管理模块用于对林火蔓延模拟所需的输入参数、用户信息资源、模拟结果进行管理，并对每个用户提供相应的资源权限进行约束；
所述蔓延模拟模块用于根据资源管理模块所接收到的输入参数，按照权利要求1所述模拟方法对指定林火蔓延模拟区域进行林火蔓延模拟，并负责向其他模块提供林火蔓延模拟结果；
所述监控评估模块，用于通过监控设备实时地检测火情，同时按照权利要求4所述灭火决策方法输出灭火决策结果进而辅助灭火资源的调度，并根据林火蔓延模拟结果进行损失评估和火灾等级划分；
所述可视化模块，用于根据栅格网络中各栅格的起火时间进行动态可视化，展示模拟时段内不同时刻的火场模拟图。
9.如权利要求8所述的林火蔓延模拟及预警系统，其特征在于，所述蔓延模拟模块中，林火蔓延模拟区域和起火点通过所述可视化模块提供的GIS地图可视化界面进行选取。
10.如权利要求8所述的林火蔓延模拟及预警系统，其特征在于，还包括灭火资源调度决策模块，用于辅助制定灭火资源配比和灭火资源调度策略，所述资源配比是根据评估的火灾等级进行资源筹备，所述灭火资源调度策略是采用最短路径算法将所需资源调度以距离最短、到达时间最快的方式调度到灭火点。
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